Interfase Fibra Matriz

Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación TAREA 1, INTERFASE FIBRA MATRIZ. MATERIALES COMPUESTOS

Dr. Cesar A. Juárez Alvarado. 1. Investigue Investigue las las diferentes diferentes teoría teorías s de la adhesi adhesión. ón. a. Adsor Adsorció ción n y hume humecta ctació ción. n. b. Inte Interd rdif ifus usió ión. n. c. Atrac Atracció ción n elec electro trostá státic tica. a. d. nla nlace ce !uím !uímic ico. o. e. Adhes Adhesión ión ion mecáni mecánica. ca. ". Investigue Investigue al menos menos tres tres diferentes diferentes interfas interfases es #bra $ matriz. matriz. %. Investigue Investigue las &ro&ues &ro&uestas tas matemátic matemáticas as &ara obtener obtener la resistenc resistencia ia de la unión interface. '. (esue esuelv lva a al meno menos s un e)em e)em&l &lo o de cálc cálcul ulo o de la resis esiste tenc ncia ia en la interface. I.

Introducción.

*a mayoría de los materiales com&uestos reforzados con #bras obtienen una mayor resistencia+ una me)or resistencia a la fatiga+ me)or módulo de ,oung y una me)or me)or relación relación resistencia resistencia &eso al incor&orar incor&orar #bras resistente resistentes+ s+ rígidas rígidas aun!ue frágiles+ en una matriz más blanda y más d-ctil. l material transmite la fuer fuerza za a las las #bra #bras+ s+ mism mismas as !ue !ue so&o so&ort rtan an la mayo mayorr &art &arte e de la fuer fuerza za a&licada. *a estructura y las &ro&iedades de la interfase #bramatriz )uegan un &a&el &rinci&al en las &ro&iedades físicas y mecánicas de los materiales com&uestos. n &articular &articular++ las grandes diferenc diferencias ias entre entre las &ro&ied &ro&iedades ades elásticas elásticas de la matriz y de las #bras deben estar comunicadas a trav/s de la interfase o+ en otras &alabras+ los esfuerzos !ue act-an sobre la matriz se transmiten a las #bras a trav/s de la interfase. II .

0area 1 2ull+ "33%4

1. Investigue Investigue las las dierentes dierentes teorías teorías de de ad!esión. ad!esión. 0eorías 0eorías de adhesión. n un sistema sencillo la unión en una interfase es debida a la adhesión entre la #bra y la matriz. 5in embargo+ las #bras están a menudo cubiertas con una ca&a de material !ue forma una unión entre la #bra y la matriz. *a adhesión &uede ser atribuida a cinco mecanismos &rinci&ales !ue &ueden tener lugar en la interfase+ ya sea aisladamente o en combinación. a. Adsorción y humectación. Cuando Cuando dos su&er#c su&er#cies ies el/ctr el/ctrica icamen mente te neutras se &onen lo su#cientemente )untas hay una atracción física !ue se com&renderá me)or considerando la humectación de las su&er#cies sólidas &or lí!uidos. n el caso de dos sólidos !ue se colo!uen )untos+ la rugosidad de la su&er#cie en una escala microscó&ica y atómica im&ide

Alumno6 7.C. (ogelio I. 5oto Ibarra 189"8''4

Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación !ue las su&er#cies entren en contacto e:ce&to en &untos aislados. ver #gura 14.

Figura 1" a# Los $untos de contacto aislados l levan a una ad!esión d%bil entre dos su$er&cies rugosas sólidas. b# Angulo de contacto ' ( tensiones su$ericiales ) $ara una gota de lí*uido en una su$er&cie sólida. S+" SL ( L+ indican las interases.

Además+ las su&er#cies están usualmente contaminadas. Incluso+ si se elimina la contaminación se &roduce una fuerte adhesión en los &untos de contacto+ la adhesión &romediada en la su&er#cie será d/bil. ;ara la humectación efectiva de la su&er#cie de una #bra la resina lí!uida debe cubrir cada saliente y cada entrante de la su&er#cie &ara des&lazar todo el aire. Deben evitarse tambi/n las ca&as de contornos d/biles. *a humectación &uede ser entendida con dos sim&les ecuaciones. *a ecuación de Du&r/ &ara el traba)o termodinámico de adhesión+ W A W A =γ 1+ γ 2−γ 12

donde

γ 1 y

14 γ 2

son las energías libres de su&er#cie del lí!uido y del

sólido res&ectivamente y

γ 12 es la energía libre de la interfase lí!uido

sólido. sta ecuación se relación con la situación física de una gota lí!uida sobre una su&er#cie sólida+ usando la ecuación de ,oung. Cuando se resuelve el e!uilibrio de las fueras en la dirección horizontal en el &unto A ver #gura 14+ entonces la ecuación de ,oung establece. γ SV = γ SL + γ LV cos θ

"4


Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación donde

γ SV +

γ SL

y

γ LV

son las energías libres de su&er#cie o

tensiones su&er#ciales de las interfases sólido $ va&or+ sólido $ lí!uido y lí!uido $ va&or+ res&ectivamente+ y θ es el ángulo de contacto. ;ara !ue se &roduzca humectación es&ontánea debe ser de

θ= 0 . *a medida

γ SV &uede ser obtenida a &artir de la forma en !ue mo)an al sólido

lí!uidos de

γ LV

conocida. ;uede obtenerse un valor de

combinando las ecuaciones 1 y " y &oniendo

γ 1=γ SV +

W A

γ LV =γ 2 <

γ SL =γ 12 W A =γ SV + γ LV − γ SL

%4

W A re&resenta una unión física resultante de fuerzas de dis&ersión

molecular altamente localizadas+ las cuales+ en una situación ideal+ &ueden dar una fuerte adhesión entre la resina y las #bras. ste fuerte enlace físico no se consigue usualmente &or6 i. ;or!ue la su&er#cie de la #bra está contaminada de manera !ue la energía de la su&er#cie efectiva es mucho menor !ue la del sólido base. ii. ;or la &resencia de aire y otros gases atra&ados en la su&er#cie sólida. iii. A causa de la a&arición de grandes des&lazamientos en la su&er#cie !ue no &ueden ser re&arados. iv. Cuidar la im®nación es &articularmente im&ortante en los &rocesos de fabricación de materiales com&uestos !ue re!uieren+ &or e)em&lo+ la recogida de resina &or esto&as de #bra y la im®nación de los haces de #bras con resina. b. Interdifusión. s &osible formar una unión entre dos su&er#cies de &olímeros &or la difusión de las mol/culas de &olímero de una de las su&er#cies en la red molecular de la otra como se ilustra es!uemáticamente ver #gura ".a4. *a fuerza de la unión de&enderá del grado de enmara=amiento molecular y del n-mero de mol/culas im&licadas. *a Interdifusión &uede ser &romovida &or la &resencia de agentes &lasti#cantes y disolventes+ de&endiendo el grado de difusión de la conformación molecular+ de los constituyentes !ue intervengan y de la facilidad de movimiento molecular. *a Interdifusión &uede e:&licar en &arte el &or!u/ de la unión !ue se consigue cuando las #bras están recubiertas con un &olímero antes de incor&orarse a la matriz del


Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación &olímero. l fenómeno de Interdifusión ha sido llamado autoadhesión en relación con los adhesivos.

Figura ," a# Unión ormada $or enmara-amiento molecular des$u%s de la Interdiusión. b# Unión ormada $or atracción electroesttica. c# /ru$os catiónicos al &nal de mol%culas atraídos !acia una su$er&cie aniónica" dando como resultado la orientación de $olímeros en la su$er&cie. d# Enlace *uímico ormado entre los gr u$os A de una su$er&cie ( los gru$os 0 de la otra su$er&cie. e# Unión mecnica ormada cuando un $olímero lí*uido moa una su$er&cie sólida rugosa.

c. Atracción electrostática. stás fuerzas de atracción se &roducen entre dos su&er#cies cuando una de ellas lleva una carga &ositiva neta y la otra una carga negativa ver #gura ".b4. *a fuerza de la interfase de&enderá de la densidad de carga. Aun!ue la atracción electrostática &robablemente no haga una contribución &rinci&al a la resistencia #nal de la unión #bra $ matriz de los com&osites+ muy bien &odrá tener un im&ortante &a&el en la forma en !ue los agentes !ue se unen se #)en sobre la su&er#cie de las #bras de vidrio. 0ambi/n la su&er#cie &uede e:hibir &ro&iedades aniónicas o catiónicas+ de&endiendo de los ó:idos del vidrio y del &2 de la disolución acuosa usada &ara a&licar los agentes de adhesión silanos4. ;or tanto si se usan atraídos hacia una su&er#cie aniónica y viceversa ver #gura ".c4. De esto se sigue !ue el vidrio &ara obtener un efecto de aco&lamiento ó&timo+ el cual+ ciertamente+ casi im&lica algo de enlace !uímico &uesto !ue la atracción electrostática sola no sería resistente al agua. d. Enlace químico. ste es de &articular inter/s &ara materiales com&uestos de #bra &or!ue ofrece la e:&licación &rinci&al &ara el uso de agentes adhesivos en las #bras de vidrio y la resistencia de la unión entre las #bras de carbono y las matrices de &olímeros. 5e forma un enlace !uímico entre un gru&o !uímico de la su&er#cie de la #bra y un gru&o !uímico com&atible de la matriz ver #gura ".d4. la fuerza de la unión de&ende del n-mero y ti&o de enlaces y el fallo de la su&er#cie im&lica la rotura de los enlaces. *os &rocesos de formación y rotura de la


Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación unión son+ de alguna manera+ de e!uilibrio dinámico t/rmicamente.

activo

e. Adhesión mecánica. Algo de unión &uede &roducirse &uramente &or la inter&enetración mecánica de dos su&er#cies como se ilustra en ver #gura ".e4. >na resina !ue mo)e com&letamente la su&er#cie de la #bra seguirá cada detalle de esta su&er#cie. *a resistencia de esta interfase a tracción &robablemente no será alta a menos !ue haya un gran n-mero de entrantes y salientes en la su&er#cie de la #bra. *a resistencia en cortadura &uede ser muy signi#cativa y de&enderá del grado de rugosidad. >n factor bien distinto !ue tambi/n está relacionado con la rugosidad de la su&er#cie de la #bra es la &osibilidad de incrementar la fuerza de la unión a trav/s de+ &or e)em&lo+ una unión !uímica a causa de la mayor área de la su&er#cie !ue está dis&onible. Además de los as&ectos geom/tricos sim&les de la adhesión mecánica+ hay muchos esfuerzos internos en un material com&uesto !ue se desarrollan durante las o&eraciones de &rocesado y el ensayo mecánico+ !ue afectan la resistencia a&arente de la unión #bra $ matriz. Así+ &or e)em&lo+ la contracción de la resina durante el curado de los &olímeros termoestables y la dilatación t/rmica diferencial de la matriz y las #bras &ueden &roducir esfuerzos de tracción+ de com&resión y de cortadura en la interfase+ de&endiendo de la geometría de las #bras y de la &ieza.

,. Investigue al menos tres dierentes interases &bra 2 matri3. sta sección es más bien una relación general de algunos de los factores !ue intervienen en otras interfases #bra $ matriz. a. Fibras de vidrio. *os mecanismos de unión !uímica !ue im&lican los agentes adhesivos silano u otras mol/culas bifuncionales se a&lican generalmente a los &olímeros termoestables &or!ue el gru&o órgano $ funcional se blo!uea !uímicamente en la estructura de enlaces cruzados de la resina durante las reacciones !uímicas del curado !ue cambian la resina de lí!uido a sólido rígido. ste ti&o de unión !uímica no &uede &roducirse con las #bras de vidrio introducidas en matrices de termo&lásticcos &or estar las mol/culas com&letamente &olimerizadas ya. 5in embargo+ la #bra virgen será todavía susce&tible de ca&tar agua y de sufrir da=os &or rozamiento durante el &rocesado+ &or lo !ue se re!uiere un a&resto &rotector. s tambi/n im&ortante !ue la su&er#cie est/ com&letamente mo)ada &or el &lástico y !ue se &roduzca una cierta unión. *as #bras reciben un tratamiento de a&resto !ue incluye un Alumno6 7.C. (ogelio I. 5oto Ibarra 189"8''4

Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación agente adhesivo silano y una resina !ue forma una &elícula. sto asegura la &rotección contra la degradación &or el agua y los da=os durante los &rocesos de moldeo &or inyección. s tambi/n &osible obtener una cierta unión !uímica si hay gru&os laterales reactivos en las mol/culas del termo&lástico. *a magnitud de la reactividad varía de un termo&lástico a otro+ de mayor a menor reactividad nilón+ &olicarbonato y &oli&ro&ileno.

b. Fibras de carbono. *a unión entre #bras de carbono y las distintas matrices de &olímeros es com&le)a como las #bras de vidrio. l carbono con#gura una su&er#cie altamente activa y absorbe rá&idamente gases !ue &ueden afectar las &ro&iedades de la su&er#cie. >na serie de gru&os funcionales activos como −CO 2 H + −C −OH y −C =O &uede &roducirse en la su&er#cie &or tratamientos o:idantes tales como el calentamiento en o:ígeno o el tratamiento en ácido nítrico e hi&oclorito sódico. *os gru&os se forman &referentemente en los bordes de los &lanos de las bases y en los lugares con defectos en los &lanos de las bases. *os gru&os funcionales &ueden formar uniones !uímicas directamente con las resinas no saturadas y con los gru&os no saturados en las resinas termo&lásticas. ;ara algunas a&licaciones se utiliza el silano y otros recubrimientos. *a reactividad de la su&er#cie es el &rinci&al contribuyente a la fuerte unión !ue se asocia a la #bra de carbono. >n factor adicional es la enorme área de la su&er#cie es&ecí#ca debida a la gran cantidad de microrrugosidades de la misma. Así+ habrá un gran n-mero de lugares &ara la unión !uímica y hay una gran su&er#cie de contacto con la resina. s &osible incrementar la fuerza a&arente de la unión aumentando el área de la su&er#cie es&ecí#ca. *as #bras con una su&er#cie de &lanos de las bases alineados &aralelamente a la su&er#cie son más susce&tibles a la rotura cohesiva !ue a la rotura adhesiva+ a causa de la d/bil unión entre los &lanos. 5e ha sugerido !ue algunos de los tratamientos o:idantes eliminan estas ca&as de su&er#cie de forma !ue la unión se &roduce en las ca&as no orientadas+ evitando así la rotura adhesiva de los &lanos de ca&as d/biles.

c. Fibras de Kevlar 49. 5e ha &ublicado relativamente &oco sobre la unión del ?evlar '@ a las matrices de termo&lásticos o termoestables. ;uede &roducirse alguna alteración su&er#cial durante las o&eraciones de &rocesado tales como el tisa)e+ dándose una tratamiento de ensima)e con alcohol &olivinílico ;A4 &ara minimizar estos da=os. 5e ha informado !ue los agentes aco&ladores convencionales no son &articularmente efectivos y &or lo tanto es necesario desarrollar sistemas es&eciales. *a su&er#cie de la #bra muestra a#nidad &or algunas resinas e&o:i+ &udiendo recibir las #bras un tratamiento de


Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación ensima)e &revio ligero con una resina e&o:i &ara dar una me)or unión con otras matrices de &olímeros. 4. Investigue las $ro$uestas matemticas $ara obtener la resistencia de la unión interace. Bo hay ning-n m/todo satisfactorio &ara medir la resistencia de la unión entre la #bra y la matriz+ &ero+ de todas formas+ es muy im&ortante tener alguna medida de resistencia &ara la evaluación de las &ro&iedades de los com&osites y el desarrollo de interfases bien dise=adas. )em&lo. Consid/rense dos sólidos A y  unidos entre sí y ensayados a tracción unia:ial ver #gura %4. 5i A y  se com&ortan como sólidos elásticos lineales y la resistencia de la unión es menor !ue la resistencia de ambos+ entonces la curva de esfuerzos $ deformaciones hasta la rotura será como se muestra y la se&aración se &roducirá en la interfase &ara un esfuerzo crítico σ F . a. l traba)o realizado &or unidad de área en la creación de dos nuevas su&er#cies+

W + viene dado &or el área ba)o la curva de esfuerzos $

deformaciones. 1

W = σ F ϵ =γ A + γ B −γ AB 2

'4

b. 5u&óngase !ue hay una &e!ue=a entalla de longitud c en la interface. De la teoría debida a riEth la resistencia a rotura del sólido será6 αE γ s ¿

c ¿¿ ¿ ¿ σ F =¿

Donde

84

α es un &arámetro geom/trico !ue está relacionado con la

forma de la entalla y de la &robeta de ensayo+ E es el módulo de ,oung y γ s viene dado &or6 γ s= γ A + γ B −γ AB

F4

*a resistencia a la rotura es &or tanto inversamente &ro&orcional a

c

1 2

y tiende a in#nito con longitudes de entalla muy &e!ue=as. 5in embargo+ la e:&eriencia en estudios de rotura &ara un am&lio es&ectro de


Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación materiales muestra !ue hay siem&re defectos inherentes en el material o+ de forma+ !ue los defectos se nuclean &or deformación &lástica !ue conlleva a limitación de la resistencia a la rotura límite corres&ondiente a un tama=o de defecto inherente c dado &or6 αE γ s ¿

c0 ¿¿ ¿ ¿ σ F =¿

94

;uesto !ue los sólidos A y  no tienen el mismo módulo+ no es estrictamente correcto usar un valor &ara E en estas ecuaciones+ &ero esto no afecta a los argumentos fundamentales. Así+ la resistencia a la rotura medida de la interfase de&ende del &arámetro c !ue no &uede obtenerse normalmente mediante una medida directa. s tambi/n de&endiente de las &ro&iedades no lineales de los sólidos A y .


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Figura 4" 5e$resentación es*uemtica de las dierencias en la resistencia de la unión medida debidas a los deectos ( la deormación $lstica. Se su$one *ue la rotura se $roduce en la interase. Las regiones sombreadas re$resentan el trabao reali3ado en la rotura. a# 6os sólidos elsticos sin deectos en la interase. b# 6os sólidos elsticos con una entalla de tama-o c en la interase. c# Un sólido elstico ( otro $lstico sin deectos en la interase.

4.1.

5esistencia de los materiales com$uestos. AsGeland+ "3134


Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación *a resistencia a tensión de un material com&uesto reforzado con #bras  !"c4 de&ende de la unión entre #bras y matriz. 5in embargo+ a veces se utiliza la regla de las mezclas &ara tener una a&ro:imación de la resistencia a la tensión de un material com&uesto !ue contenga #bras continuas y &aralelas. TSc = f TSf + f m σ m

H4

donde !"f es la resistencia a la tensión de la fibra y  m es el esfuerzo !ue act-a sobre la matriz cuando el material com&uesto está deformado hasta el &unto en !ue las fibras se fracturan. ;or tanto+  m no es la resistencia a la tensión real de la matriz. tras &ro&iedades+ como ductilidad+ &ro&iedades al im&acto+ a la fatiga y a la termoKuencia son difíciles de &redecir incluso en el caso de #bras alineadas unidireccionalmente. )em&lo6 >n aluminio reforzado con boro recubierto con 5iC es decir+ orsic4+ con '3L en volumen de #bras es un material com&uesto im&ortante+ ligero y de alta tem&eratura. stime la densidad+ el módulo de elasticidad y la resistencia a la tensión &aralelos al e)e de las #bras. 0ambi/n estime el módulo de elasticidad &er&endicular a las mismas.

7aterial

6ensidad 8g9cm4#

Mibras Aluminio

".%F ".93

7ódulo de Elasticidad 8$si# 88+333+333 13+333+333

De la regla de las mezclas6 ρc =( 0.6 ) ( 2.7 )+ ( 0.4 ) ( 2.36 )=2.56 g / cm

3

Ec , ∥ =( 0.6 ) ( 10 × 10

6

) ( 0.4 ) ( 55 × 10 ) 6

+

= 28

6

× 10 psi

TSc =( 0.6 ) (5000 )+ ( 0.4 ) ( 400000 )= 163000 psi

;er&endicularmente a las #bras6 1

E c , ⊥

0.6 =

0.4 6

10 × 10

+

6

55 × 10

= 0.06727

−6

× 10

6

Ec , ⊥ =14.9 × 10 psi


5esistencia a la tensión 8$si# '33+333 8+333

Universidad Autónoma de Nuevo León Facultad de Ingeniería Civil Subdirección de Estudios de Posgrado e Investigación n la #gura ' se muestran el módulo de elasticidad y la resistencia a la tensión reales &aralelos a las #bras. l módulo de elasticidad calculado es e:actamente el mismo !ue el medido. 5in embargo+ la resistencia a la tensión estimada es considerablemente su&erior a la real.

Figura :" In;uencia del $orcentae en volumen de &bras de boro sobre las $ro$iedades del aluminio reor3ado con dic!o com$uesto cuando las &bras son $aralelas al esuer3o a$licado.

0ibliograía Asull" 6ere<. ,==4. %ateriales #om&uestos. arcelona 6 (evert/ 5.A.+ "33%.


Interfase Fibra Matriz

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